离体肝脏机械灌注技术的转化研究进展

梁铭炬，谭晓宇，霍枫〔.广东顺德工业设计研究院（广东顺德创新设计研 究院），广东 佛山 583；.中国人民解放军南部战区总医院肝胆外科，广东 广州 5000〕

离体肝脏灌注技术在不同的器官保存、评估、修复阶段，有不同的模式切入，现阶段的商品化技术集中在低温机械灌注（hypothermic machine perfusion，HMP）、亚低温机械灌注（subnormothermic machine perfusion，SNMP）、常温机械灌注（normothermic machine perfusion，NMP）的模式上。本文针对4 款商用设备进行技术剖析，发现市场上暂无满足所有灌注模式及不同模式组合的设备。同时本文结合器官灌注模式各阶段的特点及肝脏临床生理特点，研发一个满足所有离体肝脏灌注临床研究及应用的全功能产品。

1 灌注原理

理想离体肝脏冷保存时间为8 h 以内，临床上供体肝一般以12 ～ 15 h 作为选用标准［1］。使用机械灌注（machine perfusion，MP）保存肝脏的原理是使用机械泵，将血液或者保存液、营养底物、 肝功能辅助修复药物通过系统持续泵入灌注的器 官中，同时可根据灌注模式选择使用氧合器、 微栓过滤器、透析器等体外循环耗材。根据灌注温度可分为HMP（4 ～ 6℃）、SNMP（20 ～ 30℃）、NMP （37℃）［2］。

2 灌注模式及介入时机

根据离体肝脏灌注的临床目的（保存、活性评估、修复、干预治疗），可以选择不同的灌注模 式［3］。到目前为止，存在各种不同的肝脏灌注的研究方向及临床应用，可以用不同的灌注温度（低温、 亚低温、亚常温及常温）对离体肝脏作用，延长其移植前保存时间，通过灌注的时间长度对肝脏进行功能评估（血气、生化）、肝功能修复（胆汁生成、乳酸血糖代谢）、病肝修复（脂肪修复、肝硬化治疗、废弃肝等），当今许多肝脏灌注模型已经拓展到各个不同肝移植阶段（图1）［4］：① 静态冷保存（static cold storage，SCS），保持至今的黄金标准。② 肝移植前段时间内，尤其是在扩大标准的供体（extended criteria donors，ECD）或更长的冷缺血时间。③ 肝 移植前早期，经历过移植前的一段SCS 时间。 ④ 肝脏获取后，在进入SCS 前肝脏出现心脏死亡器官捐献（donation after cardiac death，DCD）供体缺血情况。⑤ 从肝脏获取到移植中的整个保存阶段。⑥ DCD 供体的常温载体局部灌注，然后接着实现HMP、SNMP、NMP。

2.1 HMP：冷保存是基于降低有氧代谢的原理，在此基础上HMP 通过连续4 ～6℃的灌注，既持续保持脏器的低有氧代谢环境，还可以去除肝脏内部废物，灌洗肝脏淤血、血栓以及提供代谢底物，以延长保存及改善供肝内环境。商业冷灌注设备及动物实验采用3 ～ 5 mmHg（1 mmHg ＝0.133 kPa）的门脉压、20 ～ 30 mmHg 肝动脉压。除以上技术参数以外，其他参数如温度、氧气的选择与控制对低温灌注系统的效果都有很大的影响。

2.2 SNMP：SNMP 的灌注温度为20 ～30℃，灌注液为肝脏提供代谢营养成分及氧气，通过灌注液的血气、生化参数评价肝脏活性，促进离体肝细胞合成ATP，促进肝脏生理功能的恢复［5］。亚常温机械灌注SNMP 系统主要由动力单元、循环单元、器官单元、温控单元、氧合单元组成。通常NMP设备都可以直接用于SNMP，肝动脉灌注控制在 60 mmHg，压静脉压控制在2 ～ 6 mmHg。

2.3 NMP：NMP 最大的特点就是灌注温度与机体温度一致。模拟生理环境，维持系统环境温度 32 ～ 37℃，主要通过灌注液持续补充营养物质， 修复热缺血过程的损伤，以恢复供器官能量储备，维持器官的正常代谢。

NMP 主要涉及的系统参数包括温度、压力、流量等。温度根据肝脏所处的机体生理温度而定，压力参数有门静脉压力和肝动脉压力，利用离心泵管路系统，分别模拟产生和机体生理值相符的压力，门静脉灌注压力为4 ～ 8 mmHg，肝动脉灌注压力在60 ～ 80 mmHg。

3 离体肝脏灌注设备商业产品

离体肝脏机械灌注系统的结构组成包括：储肝容器、医用离心泵、氧合器、热交换器、压力和流量感应器、管路以及控制系统等。肝脏机械灌注设备，既有使用2 个离心泵和相关组件来实现对门静脉和肝动脉的双重灌注［6］，又有使用1 个泵实现双重灌注（不同的压力和流速）［7］。

国际上现有的商用肝脏机械灌注系统主要包括Liver Assist（荷兰Organ Assist 公司）、OrganOX metra（英国OrganOX 公司）、Lifeport Liver Transporter （美国Organ Recovery Systems 公司）、OCS™ Liver （美国Transimedics）［8］。

3.1 Lifeport Liver Transporter：James Guarrera 团队利用Organ Recovery Systems 的低温机械灌注设备应用于临床，证实该肝脏冷灌注转运装置的临床应用有效性，有效降低肝移植后早期原发性移植肝失功。2015 年，该团队将废弃的供肝经过低温机械灌注之后移植给受者，手术成功，证实该设备可以改善边缘供肝、废弃供肝［9］。设备处于临床实验阶段，其用与肝脏运转用于精确控制肝动脉和门静脉的灌注，并且由两种安全保护机制支持肝脏的保存，动态冷灌注加上静态冷藏保存［10］。

其技术特征为［11］：① 低温非携氧开环灌注，开环灌注手术操作难度较低；② 可视界面显示跟踪实时器官灌注状态、患者ID 号、血型、灌注异常停止阀门、灌注时间、灌注温度、双脉脉流量、压力、总流量、气泡等关键数据；③ 一次性耗材可以在15 min 内完成设备组装及肝脏灌注流程耗材包含灌注单个肝脏所需的液体管理组件，肝脏由器官支架支撑，部分浸泡在冷生理溶液中，多种尺寸和类型一次性套管可用不同尺寸的肝动脉、门静脉；④ 因为采用灌注液灌注，无需考虑溶血、血栓等指标，因此采用滚压泵作为动力装置，区别离心泵，有很大的成本优势；⑤ 附带电池，可支持24 h 以上的运转灌注；⑥ 通过手动加的方式进行低温灌注抗冲击，可以进行供体医院及受体医院的运转。

3.2 Liver Assist：Liver Assist：肝脏灌注机由荷兰格罗宁根大学医学中心研发，使用两套体外循环系统进行肝动脉和门静脉供血，设备对灌注压力进行控制，通过肝内阻力自动调节血流量。两路膜肺循环允许进行双脉的独立氧合作用，可调节到接近人体生理的血气值。温度可根据期望的MP 类型进行设定（最小温度设定 10℃），可对肝脏进行低温、亚常温、常温的机械灌注［12］。

其技术特征为［13］：① 低温、常温、亚常温携氧开环灌注，通过半导体制冷片对水箱进行降温或者升温，再通过水箱系统对管路的灌注液进行温控，但是收到管路及机器的设计（没有添加保温层及其他保温设定），因为只能实现一定温度范围（10 ～ 37℃），不能到达平常HMP（4℃）的要求；② 两路独立的肝脏灌注管路，肝动脉携氧搏动灌注（搏动脉率恒定60），门静脉携氧恒压灌注，双脉可设定不同压力进行灌注， 搏动肝动脉灌注符合生理状态，对内皮细胞有利［14］；③ 一体化的管路设定，用户需要对每个部件进行固定到特定位置，管路的设定方便对管路进行排气操作；④ 简洁的可视界面设计，可以跟踪器官灌注状态、灌注温度、双脉脉流量、压力、阻力指数等关键数据；⑤ 软膜式储肝器设计，可有效支撑灌注中的肝脏，保证肝脏血管因为重量压迫，影响灌注阻力指数；⑥ 可以转运小车设计，可实现同个医院内的灌注转运，但是 体积太大不方便在供体医院及受体医院间的转运。

3.3 OrganOX：已在进行临床应用的OrganOX metra 是一个便携式常温肝脏灌注系统，配备电池和自动供氧系统，其优势是可应用于对供移植肝脏长达24 h 的常温灌注，在灌注的同时提供肝脏血液动力学（血压、流量）、合成和代谢的信息，配备CDI 500 连续血气分析系统、血糖分析仪、药物微量注射泵，可以通过实时血气分析来维持正常代谢，促进供肝再生修复，同时协助临床医生评估器官移植的适宜性。

其技术特征为［15］：① 常温闭环双脉环灌注，通过加温水箱进行升温，再通过水箱系统对管路的灌注液进行温控，灌注温度恒定37℃；② 两路非独立的肝脏灌注管路，肝动脉离心泵压力控制灌注，门静脉离心泵重力调节压力灌注，两路血液通过同一膜肺，血液灌注参数一致；③ 可以转运独立小车设计，可实现不同医院的灌注转运，但是体积太大及重量约75 kg，需要多人操作；④ 配置CDI500实时血气监测及微量注射泵，可实时监控血气及调整血气参数，同时实时评估肝脏灌注状态，为临床医生提供评估标准；⑤ 配置WiFi 功能，可以对灌注的肝脏进行远程监测、会诊、参数调节等操作；⑥ 配置自动输气系统及备用电源，免去灌注过程中的气体、电源供给问题；⑦ 可视化界面设计，可以跟踪器官灌注状态、灌注温度、双脉脉流量、压力、阻力指数、血气、气体流量、微量注射泵控制、电量等关键数据；⑧ 重力调节门脉的灌注压力的方式精度不够，容易影响门脉流量；⑨ 配有胆汁计数器，可实时获得胆汁的生成重量、每小时生成量等。

3.4 Transmedics：Transmedics 的 器 官 护 理 系 统（Organ Care System -OCS™）是可移动的灌注和监控系统，能在近生理状态下维持器官活性。该系统使外科医生能够更完美地利用和监测捐赠者和接受者之间的器官。

它由可移动灌注设备、灌注耗材组成。可移动灌注设备包含无线显示屏、流量传感器、压力传感器、血气传感离心血泵电机、气瓶、备用电源等部件。设备显示各种灌注参数及血气参数，同时可通过微量注射泵进行灌注液参数实时调整，通过温控装置对灌注液进行恒温控制，同时植入无线监控功能，保证在进行灌注平台在进行供体、受体医院间的转运中得到［16］，产品处于临床实验中。

其技术特征为：① 腔静脉开放的开环灌注，通过电热方式进行血液加温，灌注温度恒定37℃；② 两路非独立的肝脏灌注管路，肝动脉离心泵压力控制灌注，门静脉离心泵重调节节流阀进行流量控制，两路血液通过同一膜肺，血液灌注参数一致；③ 一体化小车设计及备用电池，可实现不同医院的灌注转运；④ 无线屏幕，实现设备与监控屏幕分离，可视化界面设计，可以跟踪器官灌注状态、灌注温度、双脉脉流量、压力、阻力指数、血气、气体流量、微量注射泵控制、电量等关键数据；⑤ 配 置WiFi 功能，可以对灌注的肝脏进行远程监测、会诊、参数调节等操作；⑥ 配置自动输气系统及备用电源，免去灌注过程中的气体、电源供给问题。

4 一个完善的设备所应具备的功能

综上所述，Liver Assist 涵盖了肝脏灌注的HMP、SNMP、NMP 的灌注需求，但是在设计上没有考虑到受体与供体医院间的转运，只适合单独在受体医院你或者供体医院进行修复、评估性灌注，同时在去缺乏完善的灌注配置模块，如微量注射泵、在线连续血气分析、无线远程监控等。

OrganOX、Transmedics 的设备配置完善，适合医院间的转运保存，但是存在以下缺点：① 单泵灌注，通过人为调整门脉压力、流量，不满足类人体的生理调节功能；② 只关注NMP 领域，但是不同肝脏的情况不同，应能满足其他温度的灌注模式进行边缘肝脏的修复。另外，离体肝脏灌注领域还存在其他的研究方向［17］，如肝脏的梯度复温灌注、肝动脉搏动及恒压灌注切换、门静脉恒压灌注及恒流灌注切换等模式，暂时商用产品还不足以满足上述需求。

因此，一个完整的离体肝脏灌注系统应包含以下功能：① HMP、SNP、NMP 转运设计，增加肝脏的保存时间及修复可能；② 肝动脉、门静脉灌注独立控制（自动控制不同模式切换），满足生理压力、流量需求；③ 在线连续血气分析及注射泵配置，快速调整灌注液血气参数； ④ 自动通气系统，根据血气的氧分压、二氧化碳分压、氧饱和度，调整 氧气、空气、二氧化碳的混合比例及总体流量； ⑤ 远程监控功能及大数据服务器，专家会诊可通过手机APP 获得灌注实时参数及历史曲线，对肝脏的状态进行评估，同时转运时也可以进行状态监控；⑥ 自动灌注程序设定，可满足梯度复温灌注（COPE 模式）、多模式灌注模式切换（恒压、恒流、搏动）等自动灌注模式；⑦ 双膜肺配置，可实现肝动脉、门静脉不同氧合配置，满足肝脏的生理需求；⑧ 记录肝动脉、门静脉流量及压力历史数据及形成灌注趋势图，胆汁生成量记录及生成趋势图，用于评估肝脏的血管阻力指数及胆汁合成功能。

OrganOX、Transmedics、Liver Assist 等国外离体肝脏机械灌注技术的医工转化进展迅速，研发产品已进入临床验证或者销售阶段，我国此项设备研发及相关实验研究相对落后，需进一步加大研发 步伐。本单位研发的离体肝脏灌注系统Devoceanliver 2000（图2，相关专利号：ZL201710450850.5、ZL201710447818.1、ZL201811432911.6）已经完成了上述除实时血气分析外的功能，可以实现NMP、HMP 等灌注模式，为国内探索离体肝脏灌注的应用提供有效的辅助设备，完成HMP、NMP 的80 多例大动物。